基于對教材質(zhì)疑的視角開展高中物理深度教學(xué)

馬朱林

（江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 蘇州 215011）

新課改以來，學(xué)界眾多專家發(fā)出了“為思維而教”的呼吁，認(rèn)為要使思維能力培養(yǎng)真正成為教育教學(xué)的核心目標(biāo)和最終追求.批判性思維的培養(yǎng)和質(zhì)疑能力的提升是一切思維習(xí)慣和思維能力培養(yǎng)的前提和基礎(chǔ).明代哲學(xué)家陳獻(xiàn)章說過：“前輩謂學(xué)貴有疑，小疑則小進(jìn)，大疑則大進(jìn).”質(zhì)疑是培養(yǎng)創(chuàng)新思維的突破口，物理核心素養(yǎng)的形成也必須建立在質(zhì)疑之上.然而，在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)“唯書唯上”卻成為不少學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，缺乏思考的盲從削弱了學(xué)生自主質(zhì)疑和思辨的能力，從而對學(xué)習(xí)新知的興趣漸淡，更無從談起主動探究和深度學(xué)習(xí).

高中物理教材是實(shí)施課程教學(xué)的重要載體，有著很好的科學(xué)性、嚴(yán)密性、系統(tǒng)性.和初中物理相比，高中物理的概念較為抽象，規(guī)律的邏輯性較強(qiáng)，一些生產(chǎn)、生活現(xiàn)象的物理解釋與實(shí)際的生活體驗(yàn)差距較大，再受到認(rèn)知水平的局限，學(xué)生對教材中呈現(xiàn)的物理概念和規(guī)律的闡述質(zhì)疑.教材中提供的無論是演示實(shí)驗(yàn)還是學(xué)生實(shí)驗(yàn)在方案設(shè)計(jì)、器材選擇、可操作性等方面還有更優(yōu)化更創(chuàng)新的方案.這些內(nèi)容可以成為學(xué)生批判性研究教材、開展深度學(xué)習(xí)的重要資源.

1 通過對研究邏輯的質(zhì)疑，建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法觀

物理學(xué)不僅是一門揭示和研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律的學(xué)科，其在發(fā)展過程中所積累、總結(jié)出的科學(xué)方法對推動科學(xué)的發(fā)展起了積極的作用，尤其是研究方法的邏輯性.伽利略是物理科學(xué)研究方法論的創(chuàng)始者，其創(chuàng)建的研究方法對經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展起到巨大作用并一直沿用至今.經(jīng)典物理學(xué)研究方法的基本邏輯如圖1所示.

圖1

高中物理知識基本上屬于經(jīng)典物理學(xué)范疇.按照《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出的學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，學(xué)生在高中物理學(xué)習(xí)中除了形成“物理觀念”外，更重要的是掌握準(zhǔn)確的“科學(xué)方法”，并能運(yùn)用科學(xué)方法研究物理學(xué)和其他領(lǐng)域的問題.在物理課堂教學(xué)中，除了引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用正確的科學(xué)方法來探究物理原理、定律外，更要引導(dǎo)學(xué)生對教材所呈現(xiàn)的研究邏輯的合理性進(jìn)行質(zhì)疑與思考，建立合理的研究邏輯，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法觀.

人教社2019年版教材中“力的合成與分解”一節(jié)在編排上和前一版有所不同.老版教材中主要是從“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的視角得到平行四邊形定則，而2019年版的編寫意圖是通過實(shí)驗(yàn)對平行四邊形定則形成“猜想”，再進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)對猜想進(jìn)行探究，進(jìn)而“驗(yàn)證猜想”，即“實(shí)驗(yàn)觀察—提出猜想—理論探究—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—修正推廣”.這是符合科學(xué)研究的一般邏輯.如圖2所示，教材通過兩個(gè)互成角度的力F1、F2拉橡皮條和一個(gè)單獨(dú)的力F拉橡皮條，兩次實(shí)驗(yàn)中橡皮條長度和方向相同，再用力的圖示法構(gòu)造出F1、F2和F之關(guān)系，如圖2（?。┧荆M(jìn)而讓學(xué)生猜想F1、F2合成為F所遵循的規(guī)則.學(xué)生通過F1、F2和F所構(gòu)造出的圖形很容易就可以猜想到平行四邊形，但是這只是猜想，按照科學(xué)研究的邏輯，猜想過后需要通過理論和實(shí)驗(yàn)對猜想進(jìn)行驗(yàn)證.教材中用了一句“通過多次的實(shí)驗(yàn)探究我們會發(fā)現(xiàn)，……”對“實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”這一環(huán)節(jié)簡述之.編者簡述是由于“實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)”和“實(shí)驗(yàn)猜想”方案幾乎相同，無須贅述.然而，這會讓學(xué)生對教材所呈現(xiàn)的科學(xué)研究的邏輯性質(zhì)疑.這樣的質(zhì)疑恰恰是開展深度學(xué)習(xí)最好的資源.

圖2 探究二力合成規(guī)律實(shí)驗(yàn)示意圖

教學(xué)片段：

師：同學(xué)們，剛才通過實(shí)驗(yàn)，大家對將兩個(gè)分力F1、F2合成為一個(gè)力F的“運(yùn)算”規(guī)則提出了猜想，即平行四邊形定則.但是，這只是通過這一個(gè)實(shí)驗(yàn)提出的猜想，并沒有得到驗(yàn)證，不一定具有普適性，所以，需要通過理論和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證才能說明猜想的正確性.當(dāng)然，教材中有一句話“通過多次的實(shí)驗(yàn)探究我們會發(fā)現(xiàn)，……”對猜想作了肯定.

生1：一句話太敷衍了.

師：平行四邊形定則作為另一種運(yùn)算規(guī)則在沒有得到確切驗(yàn)證時(shí)，我們難以欣然接納.既然教材中的一句話難以說服你們，就請你們拿出驗(yàn)證的方法說服自己.

（學(xué)生討論）

生2：我可以繼續(xù)從實(shí)驗(yàn)的角度驗(yàn)證平行四邊形定則的正確性.

生2：實(shí)驗(yàn)的整個(gè)操作過程和剛才基本一樣，只是在數(shù)據(jù)處理上不同.

（生2走上講臺，在黑板上板演，如圖3所示）

圖3

生2：以F1、F2為鄰邊作平行四邊形，作該四邊形的對角線，記作F′，按照比例標(biāo)度量出F′的大小，F(xiàn)′就是F1、F2的合力，也就是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算值.將F′與真實(shí)值F作比較，我們看到計(jì)算值F′和真實(shí)值F的大小近似相等，方向近似一致.這就驗(yàn)證了平行四邊形定則的正確性.

師：很好.但是，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)有什么區(qū)別？

生3：第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出猜想，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是對猜想的驗(yàn)證，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)看似相似，但是處理方法不同，研究邏輯也不一樣.

生4：老師，我還可以從理論上證明平行四邊形定則的正確性.

（學(xué)生議論紛紛）

生4：力和位移有相同的特點(diǎn)，既有大小又有方向，所以在運(yùn)算規(guī)則上也應(yīng)該是相同的.在學(xué)習(xí)位移時(shí)，當(dāng)物體從A運(yùn)動到B再到C，這兩段運(yùn)動的總位移就是從A到C，位移AB＋位移BC＝位移AC，它們之間是三角形關(guān)系（如圖4所示），將位移BC平移至AD并連接BC、DC，則組成平行四邊形.也就是說對位移AB和位移BC運(yùn)用平行四邊形定則進(jìn)行合成，即可得到位移AC（如圖5所示）.

圖4

圖5

2 通過對演示實(shí)驗(yàn)的質(zhì)疑，提升實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的能力

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的靈魂.通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞l(fā)認(rèn)知沖突、提振探究欲望和提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，所以，?shí)驗(yàn)教學(xué)是高中物理課堂的核心.教材中呈現(xiàn)的演示實(shí)驗(yàn)雖然在設(shè)計(jì)原理的科學(xué)性、教學(xué)功能的啟發(fā)性、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的趣味性等方面做了精心的設(shè)計(jì)，然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，有些實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)、器材、操作、數(shù)據(jù)收集等方面有著更優(yōu)化更創(chuàng)新的方案.筆者以此為契機(jī)，在不作任何指導(dǎo)的情況下先讓學(xué)生按照教材上的要求做實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作的過程中去發(fā)現(xiàn)問題與困難，進(jìn)而質(zhì)疑.疑則思，思則變.筆者再順勢引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方案、操作難度、數(shù)據(jù)穩(wěn)定進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)，還要鼓勵(lì)學(xué)生自主創(chuàng)新，研究設(shè)計(jì)不同于教材的實(shí)驗(yàn)方案，自制實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的科學(xué)探究和深度學(xué)習(xí).

教學(xué)片段：

師：請同學(xué)們按照教材中提供的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

（學(xué)生按照圖6所示開展分組實(shí)驗(yàn)，雖經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，但是效果不理想）

圖6

生1：老師，教材中提供的實(shí)驗(yàn)方案有問題.

（大多數(shù)學(xué)生對生1的質(zhì)疑很驚訝，但有部分學(xué)生點(diǎn)頭贊同）

師：有什么問題？

生1：我用手拉彈簧秤，難以保證木塊做勻速運(yùn)動，彈簧秤的示數(shù)一直在發(fā)生變化.

（大部分學(xué)生點(diǎn)頭同意生1的回答）

師：很好.那有什么改進(jìn)方法嗎？

（學(xué)生討論）

生2：我有一個(gè)方案.實(shí)驗(yàn)時(shí)不用手拉彈簧秤，我用一個(gè)小型電動機(jī)，用一根細(xì)線一端固定在彈簧秤上，一端固定在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，電動機(jī)勻速轉(zhuǎn)動時(shí)牽引木塊做勻速運(yùn)動，彈簧秤讀數(shù)應(yīng)該可以穩(wěn)定.

生3：我覺得生2的方案也有問題.由于彈簧秤有重力，所以彈簧秤和細(xì)線肯定不在同一個(gè)方向，這樣測量誤差太大.

師：生2解決了木塊勻速運(yùn)動的問題，那你有什么更好的測量手段？

生3：用力傳感器.將力傳感器固定在木塊上，細(xì)線的一端固定在傳感器上，可以從傳感器上直接讀出拉力大小.

（全體學(xué)生鼓掌?。?/p>

師：方案很完美！希望同學(xué)們課后去做一做這個(gè)實(shí)驗(yàn).

師：可是，很遺憾，我現(xiàn)在能提供的實(shí)驗(yàn)儀器只有木塊、木板、彈簧秤、砝碼，大家再討論討論有沒有什么好辦法.

（學(xué)生討論）

生4：可以做.讓木塊靜止不動，拉動木板.根據(jù)滑動摩擦力的定義可知，只要木塊和木板之間發(fā)生相對滑動，木塊就受到滑動摩擦力.根據(jù)二力平衡原理，彈簧秤的拉力大小與滑動摩擦力大小相等，這樣彈簧秤示數(shù)就是滑動摩擦力大小.

3 通過對概念表述的質(zhì)疑，強(qiáng)化對物理觀念的理解

只有加強(qiáng)對物理概念的理解才能建構(gòu)科學(xué)的、系統(tǒng)的物理觀念.物理觀念的形成是培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的基石.考慮到不同學(xué)段學(xué)生的認(rèn)知水平和能力要求，編者在編寫教材時(shí)對有些物理概念的表述會限定在某個(gè)學(xué)段的知識范圍內(nèi)，如初高中教材中對速度的定義就不一樣.初中教材中定義的速度實(shí)際上是平均速率，因?yàn)槭噶坑^的建立對初中生是不作要求的.由于前后表述的差別較大，這會讓學(xué)生對現(xiàn)有概念與前概念產(chǎn)生認(rèn)知沖突，從而對教材的表述質(zhì)疑.有質(zhì)疑才會有深入的探究，有深入探究就會有學(xué)習(xí)拓展.在教學(xué)時(shí)，抓住學(xué)生的認(rèn)知沖突，積極引導(dǎo)學(xué)生通過主動查閱文獻(xiàn)、請教教師、同伴討論等方式開展深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而建構(gòu)科學(xué)、準(zhǔn)確的物理觀念，強(qiáng)化對觀念的深刻理解.

人教社2019年版教材必修1第3章第4節(jié)“力的合成與分解”中對矢量和標(biāo)量的定義為：既有大小又有方向，相加時(shí)遵從平行四邊形定則的物理量叫作矢量.只有大小，沒有方向，相加時(shí)遵從算術(shù)法則的物理量叫作標(biāo)量.除了力和位移以外，速度、加速度都是矢量.在我們學(xué)過的物理量中，質(zhì)量、路程、功、電流等都是標(biāo)量.

在對矢量和標(biāo)量的定義進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生對教材文本的定義是沒有異議的，學(xué)生對標(biāo)量的運(yùn)算定則和特征有了較為深刻的理解.然而，學(xué)生對教材中將“電流”定義為標(biāo)量會質(zhì)疑.在初中物理學(xué)習(xí)中，電流被定義為既有大小又有方向的物理量，高中教材也從微觀的角度對電流方向作了規(guī)定，即正電荷定向移動的方向?yàn)殡娏鞣较?當(dāng)學(xué)生帶著困惑向筆者請教時(shí)，筆者沒有向?qū)W生作出任何解釋，而是引導(dǎo)學(xué)生自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，如查閱論文、普通物理教材等并展開討論學(xué)習(xí).學(xué)生通過自主查閱、研究討論，不僅對矢量和標(biāo)量的定義、特征、應(yīng)用等有了更深刻的理解，還拓展性地學(xué)習(xí)了其他物理知識和方法，領(lǐng)悟到物理學(xué)的深度與廣度，激發(fā)了學(xué)生探知物理學(xué)奧秘的欲望.同時(shí)，讓學(xué)生深刻體會到通過教師教來獲得知識是階段性的，只是眾多獲取知識的途徑之一，自主學(xué)習(xí)才是主要的、終身的也是最有效的學(xué)習(xí)方式.授人以魚不如授人以漁；授人以漁，不如授人以欲.

4 通過對解法多樣的質(zhì)疑，培養(yǎng)發(fā)散性思維

物理的學(xué)習(xí)除了對物理觀念的形成需要深刻理解外，還要學(xué)會運(yùn)用相關(guān)的物理觀念和方法解決問題，以達(dá)到“學(xué)以致用”的育人目標(biāo).教材中對應(yīng)用的呈現(xiàn)方式主要是例題和習(xí)題，但是解法比較單一，鮮見一題多解.在教學(xué)過程中，可以引導(dǎo)學(xué)生對教材中的解法進(jìn)行質(zhì)疑，除了對解答的合理性的質(zhì)疑，更重要的是對解法數(shù)量的質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生從多角度、多路徑去思考解決策略與方法.由于教材中的例題和習(xí)題對學(xué)生能力的要求比較基礎(chǔ)，為了讓深度學(xué)習(xí)能真正發(fā)生，在教學(xué)過程中還可以引導(dǎo)學(xué)生在原有基礎(chǔ)上對例題和習(xí)題進(jìn)行改編，形成新的問題并鼓勵(lì)學(xué)生“一題多解”.在改題中培養(yǎng)學(xué)生的思維的嚴(yán)謹(jǐn)度和全面性，在“一題多解”中促進(jìn)學(xué)生發(fā)散性思維的培養(yǎng)，提升學(xué)生深度思考的能力.

以人教社2019年版必修2第5章第2節(jié)“運(yùn)動的合成與分解”練習(xí)與應(yīng)用中習(xí)題5為例.

例題.汽艇以18 km／h的速度沿垂直于河岸的方向勻速向?qū)Π缎旭偅訉?00 m.設(shè)想河水不流動，汽艇駛到對岸需要多長時(shí)間？如果河水流速是3.6 km／h，汽艇駛到對岸需要多長時(shí)間？汽艇在對岸何處靠岸？

教學(xué)片段：

生1：老師，我覺得不應(yīng)該只有一種方法，應(yīng)該還有其他方法.

師：你說說.

生1：由于垂直河岸方向和平行河岸方向都是勻速直線運(yùn)動，所以合運(yùn)動也是勻速直線運(yùn)動.我們可以通過幾何關(guān)系找到汽艇的實(shí)際位移和實(shí)際航行速度就可以得到時(shí)間，這是用了合成的觀念.

生2：還可以通過幾何關(guān)系找到沿河岸方向的分位移，用沿河岸方向的分位移除以河水流速得到運(yùn)動時(shí)間，這用了分解的觀念.

師：很好，有3種方法兩種觀念解決渡河問題.那請同學(xué)們思考一下，你能否根據(jù)題中的條件重新設(shè)置情境，求解其他物理問題？

（學(xué)生討論）

生3：條件不變，求汽艇渡河的最短位移以及汽艇船身與河岸之間的夾角.

師：請同學(xué)們都記下生3重新提出的問題.

生4：條件不變，汽艇船身與河岸上游之間夾角為30°，求汽艇的實(shí)際航行速度以及到達(dá)對岸的位置.

師：很好.下面我們一起先來討論生3提出的問題.同學(xué)們先思考一下，解決這個(gè)問題可以從哪幾個(gè)角度去分析？

生5：最短位移已定，就是河寬.分析汽艇船身與河岸之間的夾角依然可以從兩個(gè)角度去分析，也就是從合成的角度和分解的角度，所以有兩種方法.設(shè)靜水中的速度v，水流流速u，汽艇實(shí)際航行速度為V，合成法如圖7（a）所示，分解法如圖7（b）所示.

圖7

（生5邊講邊畫）

師：好！下面請同學(xué)們用兩種方法處理.

……

5 結(jié)語

新課程理念的落腳點(diǎn)在課堂教學(xué)，課堂教學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)在師生、生生思維的碰撞與觀念的創(chuàng)生，而思維的碰撞與觀念的創(chuàng)生的源泉在于質(zhì)疑.對教材的質(zhì)疑并非狹義的“懷疑教材、否定教材”，而是對教材中原有觀點(diǎn)多角度、多維度、多層面進(jìn)行再思考，讓學(xué)生思維發(fā)散，深入思考，提高品質(zhì).學(xué)生通過質(zhì)疑來產(chǎn)生新的問題進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識與方法的拓展延伸，達(dá)到“點(diǎn)—線—面”的效果，讓學(xué)習(xí)產(chǎn)生“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”.深度思維與廣度知識的有機(jī)融合，讓深度學(xué)習(xí)真正發(fā)生.通過對教材的質(zhì)疑來培養(yǎng)學(xué)生追求真理的科學(xué)態(tài)度和對真理孜孜以求的科學(xué)精神，不唯書、不唯上、只唯實(shí).所以，引導(dǎo)學(xué)生合理質(zhì)疑是踐行新課程理念，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑之一.